Le batterie agli ioni di litio alimentano una vasta gamma di dispositivi, dagli smartphone e laptop ai veicoli elettrici. Sebbene siano pratiche, queste batterie rappresentano un rischio per la sicurezza: se forate o piegate, possono incendiarsi dando vita ad una pericolosa reazione a catena. Tuttavia, i ricercatori hanno ottenuto un risultato significativo, dimostrando un modo per creare batterie agli ioni di litio intrinsecamente più sicure attraverso una modifica sorprendentemente semplice: cambiando solo un materiale nella struttura della batteria. Questo progresso potrebbe portare alla produzione di massa di batterie più sicure entro i prossimi anni.
Comprendere il rischio: fuga termica
Le batterie agli ioni di litio funzionano utilizzando un design specifico: un elettrodo di grafite, un elettrodo di ossido di metallo e un elettrolita costituito da un sale di litio disciolto in un solvente. Questo elettrolita liquido consente agli ioni di litio di fluire, consentendo alla batteria di caricarsi e scaricarsi. Tuttavia, proprio questo design li rende vulnerabili. Se una batteria viene danneggiata, forata o piegata, creando un cortocircuito, l’energia chimica immagazzinata può essere rilasciata in modo estremamente rapido. Questo rapido rilascio di energia innesca un processo chiamato “fuga termica”, che porta a un incendio o addirittura a un’esplosione.
Le attuali soluzioni di sicurezza e il nuovo approccio
Gli scienziati hanno esplorato varie strategie per mitigare questo rischio. Alcuni approcci prevedono gel protettivi o sostituti allo stato solido dell’elettrolita liquido. Tuttavia, un team dell’Università cinese di Hong Kong ha sviluppato un nuovo design che mantiene l’architettura della batteria esistente. La loro innovazione cruciale risiede nell’alterare il materiale dell’elettrolita, mantenendo i costi di produzione e i processi di produzione relativamente invariati.
La chiave: isolare l’anione “cattivo ragazzo”.
La causa principale dell’instabilità termica è la rottura dei legami chimici. Nello specifico, gli ioni caricati negativamente chiamati anioni rompono i loro legami con il litio all’interno della batteria. Questa rottura del legame rilascia calore, accelerando il ciclo distruttivo.
Per evitare ciò, i ricercatori hanno introdotto un solvente secondario chiamato litio bis(fluorosulfonil)immide. Questo nuovo solvente si lega al litio solo a temperature più elevate, in particolare quando l’instabilità termica è già iniziata. A differenza del solvente convenzionale, questo nuovo materiale non consente la formazione di legami anionici, eliminando di fatto la fonte del crescente rilascio di calore. In una dimostrazione, una batteria che utilizzava questo nuovo solvente si riscaldava solo di 3,5°C quando veniva forata con un chiodo, in netto contrasto con l’aumento di temperatura di 500°C osservato nelle batterie convenzionali.
“Il cattivo è l’anione, che ha molta energia di legame – e sono questi legami che si rompono che causano la fuga termica”, spiega Gary Leeke dell’Università di Birmingham. “Questo nuovo approccio isola il cattivo ragazzo da questo processo : è un grande passo avanti in termini di sicurezza della batteria.”
Prestazioni e prospettive future
Le batterie modificate hanno mostrato prestazioni promettenti. I test hanno rivelato che mantengono l’82% della loro capacità dopo 4.100 ore di utilizzo, rendendoli competitivi con la tecnologia esistente. Gli esperti prevedono che questo solvente innovativo potrà essere integrato nella prossima generazione di batterie, aprendo la strada alla produzione di massa entro tre-cinque anni. Questo progresso segna un passo significativo verso uno stoccaggio energetico più sicuro e affidabile per un’ampia gamma di applicazioni. > Questo cambiamento relativamente semplice nei materiali promette di rivoluzionare la sicurezza delle batterie, riducendo al minimo il rischio di incendi ed esplosioni nei dispositivi di uso quotidiano e nei veicoli elettrici.
